Расчет и проектирование асинхронного двигателя

Введение

 

Первыми сериями асинхронных машин, созданными в 1920-1930 гг. были серии ДАО, ДАО-2, И и серии Т и МТ. Позднее были созданы серии асинхронных двигателей И2, АД, МА-200, АМ и ряд других.

Каждая из серий для своего времени была достаточно хорошо спроектирована и находилась на уровне передовых образцов мирового электромашиностроения. Однако уже к концу 40-х годов эти серии не удовлетворяли требованиям производства и эксплуатации по следующим причинам: серии были недостаточно стандартизированы: не имели твердой шкалы мощностей и шкалы установочных размеров, что крайне затрудняло проектирование приводов и выбор электродвигателей; в силу множества серий двигатели каждой из них выпускались небольшими партиями, не имели унифицированных деталей и сборочных единиц, что препятствовало рациональной организации производства и применению прогрессивных технологических процессов; серии не имели  модификаций и исполнений удовлетворяющих растущим запросам электропривода. Всё это привело к необходимости создание для всей страны единой серии асинхронных машин, объединенных общими конструктивными решениями, общей технологией, с широкой унификацией различных узлов и деталей и основанной на единых шкалах мощностей, габаритных, присоединительных и установочных размеров.

В 1946-1949 гг. была создана впервые в мировой практике единая серия асинхронных двигателей общего назначения, отвечающая этим требованиям. Эта серия, заменившая восемь существовавших ранее, была названа единой серией А. Она охватывала диапазон мощностей от 0,6 до 100 кВт. Двигатели имели два основных исполнения по способу защиты от воздействия окружающей среды : защищенное (обозначение А) и закрытое обдуваемое (обозначение АО). В серии А впервые была принята твердая шкала мощностей имеющая 15 ступеней.

 Появление новых электроизоляционных материалов и успехи в изучении электромагнитных и тепловых процессов в электрических машинах позволили в 1957-1959 гг. создать новую единую серию асинхронных двигателей того же диапазона мощностей - серию А2, значительно превосходящую первую серию А по своим технико-экономическим и массогабаритным показателям. Эта серия также имела два исполнения : защищенное А2 и закрытое обдуваемое АО2. Внедрение в производство двигателей серии А2-АО2 завершилось лишь к концу 60-х годов. Асинхронные двигатели мощностью от 100 до 1000 кВт также длительное время выпускались разрозненными сериями (серии АМ, МА, ДАМСО, ФАМСО и др.). В 1952-1956 гг. была разработана единая серия двигателей такого диапазона мощностей, названная серией А-АК (асинхронные двигатели с короткозамкнутыми и фазными роторами). В дальнейшем эта серия подверглась существенной переработке. Были применены новые электроизоляционные материалы и повышен уровень использования активной части двигателей. В закрытых обдуваемых двигателях принят новый принцип охлаждения ротора - продув наружным воздухом. В последующие годы модернизированные отрезки этой

 

серии получили наименование серии А3.

Серия 4А была спроектирована в 1969-1971 гг. Она базируется на ре-

комендации МЭК по шкале мощностей и установочных размеров и на рекомендациях СЭВ по увязке мощностей и установочных размеров. В результате использования новых электроизоляционных материалов, позволивших в большинстве типоразмеров серии 4А применить изоляцию класса нагревостойкости F, и детальной конструкторской и технологической разработки двигатели этой серии по своим технико-экономическим показателям  не уступают лучшим зарубежным образцам, а по ряду показателей превосходят их.

В основу построения серии положены не габаритные диаметры сердечников статора, как в прежних сериях, а высоты оси вращения h, т. е. расстояние от оси вращения ротора до установочной поверхности. При проектировании серии большое внимание было уделено повышению надежности машин. Впервые в мировой практике для асинхронных двигателей общего назначения были стандартизированы показатели надежности.

Серия 4А охватывает диапазон мощностей от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения. На каждой из высот, кроме h = 225мм, выпускаются двигатели двух разных длин, различные по мощности. С высотой оси вращения h = 225мм выпускают двигатели только одной длины. Таким образом, шкала мощностей серии содержит 33 ступени.

Основными исполнениями являются закрытое обдуваемое (4А) и защи-

щенное (4АН). Закрытые обдуваемые двигатели выпускаются во всём диапазоне высот оси вращения от 50 до 355мм; двигатели защищенного исполнения – в диапазоне высот от 160 до 355мм. Новые конструктивные решения ряда узлов позволили в двигателях этой серии несколько увеличить объём активной части за счёт увеличения наружного диаметра сердечника статора при той же высоте оси вращения по сравнению с двигателями предыдущих серий. В то же время применение изоляции класса нагревостойкости F и новых сортов электротехнической стали (серия рассчитана на стали 2013 и 2312) дало возможность повысить электромагнитные нагрузки. Это позволило увеличить мощность двигателей при тех же высотах оси вращения, что и в прежних сериях, и улучшить их технико-экономические показатели. В последнее время сталь 2013 не изготавливается из-за сложности технологии изготовления.

Двигатели выполняются на следующие номинальные напряжения 220 / 380 В -  при мощностях от 0,06 до 0,37 кВт, 220 / 380 и 380 / 660 В - при мощностях от 0,55 до 110 кВт, 380/660 В - при мощностях более 132 кВт. Большой диапазон мощностей , охватываемых серией, и два основных исполнения обусловили различную конструкцию отдельных узлов двигателей в зависимости от мощности.

Двигатели с высотами оси вращения 50 и 63 мм (мощность 0,06 - 0,37 кВт) выполняются с литыми алюминиевыми станинами и подшипниковыми щитами. Более мощные двигатели выполняются с литыми чугунными станиной и щитами, а двигатели 4АН с h ³ 280мм (мощностью 132 кВт и больше) - со сварной стальной станиной и литыми чугунными щитами. Имеются также различия в конструкции крепления сердечников статора и ротора, подшипниковых узлов, обмотки и т. п.

В статорах всех двигателей с h £ 160мм выполняют однослойную обмотку. В остальных двигателях всей серии обмотки двухслойные. Во всех двигателях с h £ 250мм и в двигателях с 2р ³ 10 при h ³ 280мм  обмотка статора выполняется из круглого обмоточного провода. В двигателях с h ³ 280мм при 2р £ 8 обмотка полужесткая из прямоугольного провода, укладываемая в полуоткрытые пазы. Потребность народного хозяйства в двигателях данной серии очень велика. И в связи с ростом автоматизации производства с каждым днём возрастает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Конструкция двигателя

 

Станина представляет собой остов электрической машины, в котором расположен сердечник статора с обмоткой. Станина воспринимает механическую нагрузку от сердечника статора с обмоткой и от ротора, кроме того, станина участвует в процессе теплоотдачи от сердечника статора к охлаждающей среде.

Конструкция станины асинхронного двигателя в значительной степени определяется исполнением двигателя по степени защиты. Станина двигателя со степенью защиты IP44 имеет цилиндрическую форму и снабжена наружными продольными ребрами, увеличивающими поверхность охлаждения. Внутреннюю гладкую поверхность станины данного двигателя исполнения IP44 обрабатывают под посадку сердечника статора. Получаемое при этом плотное прилегание сердечника статора всей наружной поверхностью к станине способствует более эффективной передаче теплоты от сердечника к станине. Материал станины – алюминиевый сплав АЛ-9 ГОСТ 2685-63.

Сердечник статора выполнен из штампованных, изолированных лаком друг от друга листов электротехнической стали марки 2212 ГОСТ 21427.2-83 толщиной 0,5 мм. Листы после штамповки подвергают термической обработке для придания им требуемых магнитных свойств. Сердечник статора имеет полузакрытые пазы трапецеидальной формы. В пазы укладывается обмотка статора. Используется провод марки ПЭТ-155 с диаметром изолированного провода 0,395 мм. Намотку обмотки производят в один слой. Обмотку статора после укладки в пазы пропитывают лаком.

Ротор. Сердечник ротора шихтуют из листов, отштампованных из высечки листов статора. Применяем сталь марки 2212 ГОСТ 21427.2-83 толщиной 0,5 мм. Листы после штамповки подвергают термической обработке для придания им требуемых магнитных свойств и получения на поверхности листов тонкой оксидной пленки в пазах и между зубцами. Листы короткозамкнутого ротора набирают на оправку по внутренней вырубке листов.

Вал  имеет ступенчатую форму для раздельной посадки на него сердечника ротора, подшипников и др.

Вал испытывает большие нагрузки, поэтому проходит тщательную проверку на прочность, жесткость и др. Посадка различных деталей на вал осуществляется их напрессовкой. Пакет ротора напрессовывают на вал без шпонки с предварительным нагревом до температуры 400-500 °С. Посадочные места вала обрабатываются по 6,7 квалитету. Вал подвергаются термообработке, закалке, метало-покрытию и т.д. Вал изготовляется из стали 45.

Подшипниковый щит выполняется из алюминиевого сплава АЛ-9 ГОСТ 2685-63. Подшипниковый щит является элементом крепления. Он трудно поддается расчету, поэтому толщина стенок и конфигу-

 

рация выбираются из технологических соображений с учетом каче-

ства отливок и необходимой жесткости при механической обработке.

Подшипники. Насадка их осуществляется напрессовкой на вал. Они должны выбираться с запасом в зависимости от частоты вращения, от веса ротора. В данном асинхронном двигателе применяются подшипники средней серии №……………….. мм.

Охлаждение в данном асинхронном двигателе осуществляется методом самовентиляции (вентилятор, насаженный на валу двигателя).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Принцип работы асинхронного двигателя

 

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя - ротор, состоящий из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, состоящую из  алюминиевых стержней, расположенных в продольных пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон по торцам ротора алюминиевыми   кольцами. Ротор и статор разделены воздушным зазором. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора.

Вращающееся поле статора сцепляется как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции, действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы, направление которых определяют по правилу «левой руки». Электромагнитные силы стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность этих сил создает на роторе электромагнитный момент, приводящий его во вращение. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя. Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля статора, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Электромагнитный расчет

 

1. Расчет главных размеров

 

1. Число полюсов

Исходя из этого, принимаем

2р = 8

 

2. Высота оси вращения, мм

Эту величину выбираем по таблице [1., с. 52, таблица 5.2] по данным мощности и рассчитанному числу полюсов.

h = 71, условное обозначение длины – A.

 

3. Наружный и внутренний диаметры, мм

       Принимаем по аналогу

D1нар = 116

D1 = 70

 

4. Предварительные значения КПД и коэффициента мощности

Принимаем по аналогу

    

 

5. Расчетная мощность, кВт

 

6. Предварительное значение линейной нагрузки, А/м

Определяем по графику зависимости A1’ = f(D1нар) [1., с. 58, рисунок 5.2].

7. Предварительная максимальная магнитная индукция, Тл

Определяем по графику зависимости Bδ’ = f(D1нар) [1., с. 58, рисунок 5.2].

Bδ’ = 0,75

 

 

8. Предварительное значение обмоточного коэффициента

Выбираем для нашего асинхронного двигателя однослойную обмотку. В этом случае

Kоб’ = 0,96

 

 

9. Расчетная длина статора, мм

 

Принимаем li = 51

 

       3.1.9.Коэффициент длины

           

Что укладывается в диапазон рекомендуемых значений

 

2. Размеры активной части двигателя

 

1.      Воздушный зазор, мм

Выбираем по графику зависимости δ = f(h) [1., с. 60, рисунок 5.3].

δ = 0,26

 

2. Наружный диаметр сердечника ротора, мм

Принимаем по аналогу

D2 = 69,5

 

3. Внутренний диаметр сердечника ротора, мм.

Принимаем по аналогу

D2вн =22,9